數(shù)控裝置體系結(jié)構(gòu)技術(shù)

    近10 年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)正朝標(biāo)準(zhǔn)化和開放性方向發(fā)展。就體系結(jié)構(gòu)而言，當(dāng)今世界上的數(shù)控系統(tǒng)大致可分為3 種類型：①傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)：這是一種專用的封閉體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控裝置。對它的功能擴(kuò)展、改變和維修，都必須求助于系統(tǒng)供應(yīng)商。該類數(shù)控系統(tǒng)的市場正在受到挑戰(zhàn)，已逐漸減小。②PC嵌入Nc體系結(jié)構(gòu)：該結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，嵌入PC機(jī)，其目的是既繼承多年來積累的數(shù)控軟件技術(shù)，又可利用PC機(jī)豐富的軟件資源。這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。③基于PC 機(jī)體系結(jié)構(gòu)：該結(jié)構(gòu)是以標(biāo)準(zhǔn)PC=機(jī)的硬件為基礎(chǔ)，在基于通用操作系統(tǒng)(如Windows、LINIX 等)開發(fā)的實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)的支撐下，實(shí)現(xiàn)各種數(shù)控功能。這是現(xiàn)代數(shù)控裝置廣泛采用的體系結(jié)構(gòu)，基于該結(jié)構(gòu)的數(shù)控裝置具有較高的性能價(jià)格比和較長的生命力。一個典型的基于PC機(jī)體系結(jié)構(gòu)的CNC 裝置外觀如圖1，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2。

圖1 CNC裝置外觀圖

下面從功能方面來討論圖8-4 中各硬件模塊的作用。

1．計(jì)算機(jī)主板和系統(tǒng)總線板(母板) 計(jì)算機(jī)主板是CNC裝置的核心，由于是基于 PC 機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，各硬件模塊也均與PC 機(jī)總線標(biāo)準(zhǔn)兼容。其目的是利用PC 機(jī)豐富的軟件和硬件資源，提高系統(tǒng)的適應(yīng)性和開放性。降低價(jià)格，縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期。CNC 裝置的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與普通的商用PC 機(jī)在實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上略有不同。從系統(tǒng)的可靠性出發(fā)，其主板與母板是分離的，即系統(tǒng)總線是一單獨(dú)的無源母板，主板則做成插卡形式，且集成度更高，即所謂的 ALL-IN-ONE主板。這種主板主要包括以下的功能結(jié)構(gòu)：①CPU芯片及其外圍芯片。②內(nèi)存單元、cache及其外圍芯片。③通信接口(串口，并口，鍵盤接口)。④軟、硬驅(qū)動器接口。各功能結(jié)構(gòu)的組成原理與普通微型計(jì)算機(jī)的原理完全一樣，這里不再贅述。計(jì)算機(jī)主板的主要作用是。對輸入到CNC 裝置中的各種數(shù)據(jù)、信息(零件加工程序，各種I／O 信息等)進(jìn)行相應(yīng)的算術(shù)和邏輯運(yùn)算，并根據(jù)其處理結(jié)果，向其他功能模塊發(fā)出控制命令，傳送數(shù)據(jù)，使用戶的指令得以執(zhí)行。

圖2 CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)總線(母板)是由一組傳送數(shù)字信息的物理導(dǎo)線組成的，它是CNC 裝置內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)或信息交換的通道，組成原理與普通微型計(jì)算機(jī)的原理完全一樣。一般作為工業(yè)用Pc機(jī)的總線母板是獨(dú)立的無源四層印制電路板，即該板的兩面為信號線走線面，而在中間為電源和地線，其可靠性高于兩層板。其規(guī)格有6 槽、8 槽、12 槽和14 槽等，用戶可根據(jù)CNC 裝置功能板的多少進(jìn)行選擇。

2．顯示模塊顯示模塊即顯示卡是一個通用性很強(qiáng)的模塊。在CNC 裝置中，CRT顯示是一種非常重要的功能，它是人機(jī)交流的重要媒介，向用戶提供了一個直觀的操作環(huán)境，使用戶能快速地熟悉其操作過程。顯示卡的主要作用是：接收來自CPU的控制命令和顯示用的數(shù)據(jù)，經(jīng)與CRT 的掃描信號調(diào)制后，產(chǎn)生CRT 顯示器所需要的視頻信號，由CRT 中的電子槍對屏幕進(jìn)行掃描，從而產(chǎn)生所需要的畫面。顯示卡這種硬件不僅隨時(shí)可以在市場上買到，而且它還有非常豐富的支持軟件，因此無需用戶自己開發(fā)。

3．輸入／輸出模塊輸A／出模塊也是標(biāo)準(zhǔn)的PC機(jī)模塊

—— 多功能卡，一般不需要用戶自己開發(fā)。輸A／出模塊是CNC 裝置與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息交換的接口板，即CNC 裝置中的CPU 通過該接口可以從外部輸入設(shè)備獲取數(shù)據(jù)，也可以將CNC 裝置中的數(shù)據(jù)送給外部輸出設(shè)備。如果計(jì)算機(jī)主板是ALL—IN—ONE 主板，由于主板已集成此功能，則此板可省略。

以上三部分，再配上鍵盤、電源和機(jī)箱，實(shí)際上是一部通用的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這個系統(tǒng)是CNC 裝置的核心。從某種意義上講，其檔次和性能決定了CNC 裝置的檔次和性能，因此，CNC 裝置計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)的合理選用是至關(guān)重要的。

4．電子盤(存儲模塊) 電子盤是CNC 裝置特有的存儲模塊。在CNC 裝置中它用來存放下列數(shù)據(jù)和參數(shù)：①系統(tǒng)軟件和系統(tǒng)固有數(shù)據(jù)；②系統(tǒng)的配置參數(shù)(系統(tǒng)所能控制的進(jìn)給軸數(shù)，軸的定義，系統(tǒng)增益等)；③用戶的零件加工程序。

在 CNC 裝置中，常采用電子存儲器件作為外存儲器，而不采用磁性存儲器件，主要是考慮到CNC 裝置的工作環(huán)境有可能受到電磁干擾，磁性器件的可靠性低，而電子存儲器件的抗電磁干擾能力相對來講要強(qiáng)一些。又因?yàn)檫@些由電子器件組成的存儲單元是按磁盤的管理方式進(jìn)行的，故稱其為電子盤。

5．PLC 控制模塊CNC系統(tǒng)對設(shè)備的控制分為兩類：一類是對各坐標(biāo)軸的速度和位置的“軌跡控制”；另一類是對設(shè)備動作的“順序控制”。對數(shù)控機(jī)床而言，“順序控制 ”是指在數(shù)控機(jī)床運(yùn)行過程中，以CNC 內(nèi)部和機(jī)床各行程開關(guān)、傳感器、按鈕、繼電器等開關(guān)量信號狀態(tài)為條件，并按預(yù)先規(guī)定的邏輯順序?qū)χT如主軸的起停、換向，刀具的更換，工件的夾緊、松開，液壓、冷卻、潤滑系統(tǒng)的運(yùn)行等進(jìn)行的控制。在 CNC 裝置中實(shí)現(xiàn)順序控制的模塊是PLC控制模塊。該模塊主要接收來自操作面板、機(jī)床上的各行程開關(guān)、傳感器、按鈕、強(qiáng)電柜里的繼電器以及主軸控制、刀庫控制的有關(guān)信號，經(jīng)處理后控制相應(yīng)器件的運(yùn)行。

6．位置控制模塊位置控制模塊是進(jìn)給伺服系統(tǒng)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)軌跡控制時(shí)，CNC 裝置與伺服驅(qū)動系統(tǒng)連接的接口模塊。在數(shù)控機(jī)床中，通常由若干進(jìn)給伺服系統(tǒng)控制的進(jìn)給軸構(gòu)成成形運(yùn)動系統(tǒng)，每個坐標(biāo)軸(進(jìn)給軸)都有一套獨(dú)立的位置控制器。該位置控制器的作用是：接收CNC 插補(bǔ)運(yùn)算后輸出的位置控制命令(如△X、△Y、△Z 等)，經(jīng)相應(yīng)調(diào)節(jié)運(yùn)算(位置控制通常采用比例調(diào)節(jié)運(yùn)算)和相應(yīng)的變換(如D／A轉(zhuǎn)換、脈沖變換等)。輸出速度控制指令給速度控制單元，去控制伺服電機(jī)運(yùn)行。對于閉環(huán)控制或半閉環(huán)控制，還要回收實(shí)際位置信號和實(shí)際速度信號，以供位置和速度閉環(huán)控制運(yùn)算使用。

7．功能接口模塊功能接口模塊是實(shí)現(xiàn)用戶特定功能要求的接口板，如對仿形數(shù)控銑床需增加仿形控制器、激光切割機(jī)的焦點(diǎn)自動跟蹤功能(Z 軸浮動控制器)、刀具監(jiān)控系統(tǒng)中的信號采集器等。所有增加的功能，必須在CNC 裝置中增加相應(yīng)的接口板才能實(shí)現(xiàn)。就目前的情況而言，用戶特殊的功能要求，必須向CNC 系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家定制，一般來講用戶自己是無法辦到的。其原因是因?yàn)楝F(xiàn)在的CNC 系統(tǒng)是封閉的，而不是開放的。數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢之一就是研究開放式結(jié)構(gòu)的CNC 系統(tǒng)。一旦研制成功并推廣使用，用戶即可根據(jù)自己的要求來增減CNC 系統(tǒng)的功能，這正是人們所追求的目標(biāo)。